在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +(XC-XL)^2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。
串联谐振的三大应用
高压大电容量设备进行交流耐压试验时,试验变压器容量要求非常大,试验设备笨重,而应用串联谐振原理可以利用电压及容量小得多的设备产生所需的试验电压,满足试验要求。下面三新电力给大家介绍一下串联谐振试验装置在各个领域的应用。
1.在电缆试验中的应用
城乡电网中电缆的大量使用,其故障时有发生。为保证交联电缆的安全运行,国家电网公司对电缆交接和预防性试验做出了新的规定,用交流耐压试验替代原来的直流耐压试验,以避免直流试验的累积效应对电缆造成损伤。
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国际大电网会议(CIGRE)21.09工作组的建议导则提出高压挤包绝缘电缆的现场试验采用DAXZ串联谐振试验系统,频率范围为30～300Hz。并在1997年发表的题为“高压橡塑电缆系统敷设后的试验”的总结报告中明确指出以下3条。
①由于直流电场强度按电阻率分布,而电阻率受温度等影响较大,同时耐压试验过程中,终端头的外部闪络引起的行波可能造成绝缘损坏。
②直流耐压试验在很高电压下,难以检出相间的绝缘缺陷。
③直流电压本身容易在电缆内部集起空间电荷,引起电缆附件沿绝缘闪络,因波过程还会产生过电压,这些现象迭加在一起,使局部电场增强,容易形成绝缘弱点,在试验过程中可能导致绝缘击穿,并可能在运行中引起事故。
很多电缆在交接试验中按GB50150-2006标准进行直流耐压试验顺利进行,但投运不久就发生绝缘击穿事故,正常运行的电缆被直流耐压试验损坏的情况也时有发生。交流耐压试验因其电场分布符合运行实际情况,故对电缆的试验最为有效。
通常交流电力电缆的电容量较大,试验电流也很大,调感式设备的体积将非常巨大并且电感调节也很困难,而调频式装置则灵活性更强,更易于实现。因此,电缆现场交流耐压试验多利用变频谐振试验设备。三新可根据客户需求制造10KV、35KV、110KV、220KV、500KV电压等级的串联谐振试验装置。
2.在GIS设备中的应用
气体绝缘开关设备在工厂整体组装完成以后或分单元进行调整试验,试验合格后以分单元运输的方式运往现场安装。运输过程中的振动、撞击等可能导致GIS元件或组装件内坚固件松动或移位;安装过程中,在联结、密封等工艺处理方面可能失误,导致电极表面刮伤或安装错位引起电极表面缺陷;安装现场可能从空气中进入悬浮尘埃。导电微粒杂质等,这些在安装现场通过常规试验将难以检查出来,对GIS的安全运行将是极大的威胁。
由于试验设备和条件所限,早期的GIS产品多数未进行严格的现场耐压试验。事故统计表明没有进行现场耐压试验的GIS大都发生了事故。因此,GIS必须进行现场耐压试验。
GIS的现场耐压主要包括交流电压、振荡操作冲击电压和振荡雷电冲击电压等3种试验方法。其中交流耐压试验是GIS现场耐压试验最常见的方法,它能够有效地检查异常的电场结构(如电极损坏)。
目前,由于试验设备和条件所限,现场一般只做交流耐压试验。IEC517和GB7674认定对SF6气体绝缘试验电压频率在10～300Hz范围内与工频电压试验基本等效。国内外大多采用调频式串联谐振耐压试验装置进行GIS现场交流耐压试验。
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3.在发电机(电动机)交流耐压试验中的应用
发电机定子绕组对地或相间电容量大,如300MW水轮发电机定子绕组对地电容量高达1.7～2.5μF,工频耐压时电容电流达到25～35A,试验设备容量数千kVA,采用常规试验设备时,设备笨重。更为严重的是用常规大容量试验设备时,发电机定子绕组绝缘被击穿时的故障点短路电流大,会烧损铁芯,将造成很大的经济损失。根据国家标准GB/T16927.2-1997《高电压试验技术》第一部分6.2.1.1电压波形的规定“试验电压一般应是频率为45～65Hz的交流电压,通常称为工频试验电压。
”为了满足发电机交流耐压试验电压频率为工频的要求,发电机串联谐振装置通常是调感式的,通过调节铁芯气隙改变电感从而达到工频谐振的目的。
谐振装置具有组合方式灵活,对试品的破坏小，同时串联谐振试验装置的体积、重量和所需要的电源容量远低于采用传统的试验变压器,大大减轻了现场试验的工作量。因此,串联谐振试验装置将在电力设备交流耐压试验工作中获得越来越广泛的应用。
串联谐振中三类试验频率范围
综合国内外有关技术资料，选择合适的试验频率范围是个比较重要的问题。在这方面，有一些不同的观点和提法。就目前的国内外的提法来看，我们总结可分成3类：第1类为较宽频率范围30-300Hz、20-300Hz、1-300Hz；第2类为工频范围，45-65Hz，45-55Hz；第3类为接近工频，35-75Hz。
1.较宽频率范围
国际大电网会议第21、09工作组发布的《试验导则》，建议频率范围为30-300Hz。但实际上更低一些频率也具有较好地等效性。IEC60840和IEC62067标准草案（2001年和2000年）就规定可采用20-300Hz。
国外有些厂家设计串联谐用电抗器，在特殊情况下也有采用最低频率为25Hz或20Hz的。当然频率愈低，被试电缆的长度（电容量）可增大。但是电抗器铁心因此放大，使重量增加。个别资料显示, 1-300Hz的交流试验也具有与工频交流试验的等效性，这说明实际应用中频率下限有可能取得更低，例如小于20Hz甚至到0.1Hz也是可行的。
进一步表明在这样的频率范围内，绝缘内部各介质的电压分布及介质特性仍基本相同。工作频率超过300Hz是否适当？有资料报导说，随频率增高，串谐电抗器及励磁变压器的损耗降低，但是要考虑被试品电容介质的极化发热问题，因此频率高于300Hz是不可取的。
2.工频范围
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国际上工业频率主要指50Hz和60Hz两种，故IEC标准规定对高压绝缘的工业试验频率范围为45-65Hz，在我国额定工频为50Hz。GB/T16927.1-1997规定工频试验频率范围为45-55Hz。
认为工频电力电缆的试验电压也必须是工频，这是趋于比较保守的观点。针对此问题应该着重说明交接和预防性试验的目的在于发现绝缘缺陷的能力来定的。在不同的频率下只要绝缘内部介质电压分布相同，又有基本相同的检出绝缘故障的能力，就能达到试验的目的。因此即使选用比工频范围更宽的频率也是可以接受的。
在90年代中期为了选择适当的交流耐压试验的频率范围，做了大量、仔细的基础研究工作。得出频率在30-300Hz范围内，橡塑电缆内部几种典型绝缘缺陷的击穿特性没有明显差别。这应该是可信的，也得到普遍采用。
分析形成这种在不同频率下良好的击穿特性，主要原因是优良的同轴绝缘结构，单一的绝缘介质，材质相对纯洁、电场分布合理、规则。因此，在不同频率下结构内部电压分布相同，形成宽频率范围试验的条件。油纸绝缘电缆一直采用频率等于零的直流电压进行耐压试验，其实际效果很好，数十年来未受到置疑。
3.接近工频范围
国外曾对正常XLPE（交联聚乙烯）绝缘电缆样品，在不同频率下进行击穿试验。结果表明在频率为35-75Hz时击穿电压均落在可置信度95%之内。因此有观点赞成试验电压频率最好选在35-75Hz,也较为靠近运行电压频率50Hz。
值得注意的是，上述测试结果是对正常绝缘做的击穿试验。而交接和预防性试验所采用的试验电压值是偏低的，它只能击穿有缺陷的绝缘弱点（机械损伤、水树枝、终端头或接头盒应力铁锥施工或用料错误，等等），完全不足以击穿电缆本体的正常绝缘。可见两种试验的目的和工作机理均不相同。似乎没有必要将正常绝缘35-75Hz的击穿特性“延伸”应用到检测绝缘缺陷方面。
串联谐振串联补偿装置的分类
在输电线路上采用串联补偿装置( 以下简称“ 串补装置”)来提高系统的稳定输送容量，改善线路电器参数，实现2条线路输送3 条线路的功率，既提高了传输功率又节省了投资。
串补用的电容器通常有2种：外熔丝电容器及内熔丝电容器。
外熔丝电容器是熔丝装置安装在电容器单元的外部。IEC标准规定外熔丝的熔断电流应是所保护的电容器额定电流的1.43倍以上，一般取1.5倍。
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变频串联谐振耐压试验装置，作为串补用的电容器还需要考虑电容器组两端短路放电时熔丝不被熔断，否则在系统发生故障而串补电容器组退出运行时，旁路间隙或分路开关旁路电容器组时会使电容器组的外熔丝动作。内熔丝电容器是每相电容器组由320台电容器单元组成。
变频串联谐振耐压试验装置，该电容器是油浸全膜电容器，实际设计的电场强度为170V/um。电容器组的保护水平为2.3pu，保护电压为230。熔丝熔断对电容器元件的影响。
由于电容器单元的熔丝被熔断后的恢复电压较高，熔丝的制造相对比较困难。采用内熔丝的电容器的熔丝安装在电容器的内部，每个电容器元件都有相应的熔丝。当某个电容器元件发生故障时，只是该电容器元件的熔丝熔断，切除该电容器元件。故障电容器元件被切除后，该电容器单元仍然可以正常运行。变频串联谐振耐压试验装置，损失的电容器容量较小，按电容器组设计例子，电容器单元只损失1/52 的容量。
运行经验表明，内熔丝电容器单元中单个元件的损坏，不会进一步扩大元件的故障。这是因为元件的额定电流较小，熔丝被熔断时的恢复电压较低，熔丝动作速度相对较快，熔断的副产物不多，不会对单元中其他元件的运行造成危害。
采用内熔丝电容器组的主要缺点：A.内熔丝不保护电容器单元的端子与其外壳之间的故障，若发生这类故障，就需要靠电容器组不平衡保护来旁通电容器组。实际的经验表明这类故障发生的概率是非常低的。B.电容器元件或电容器单元发生故障时，不能直观到，必须用专用的仪器定期进行测量才能发现。由于元件的故障是随机分布在各个电容器单元中，因此该电容器元件的故障概率非常低。
通过500KV安装串联补偿装置的运行实践，实现了提高长线路的稳定输送容量，改善了并联线路之间的负荷分配，降低了线路损耗，有效地提高了电压质量。
变频串联谐振耐压试验装置对这套串联补偿装置实现了有效的操作与控制，它的使用具有明显的经济效益和社会效益。但是由于超高压线路使用串联补偿装置为数不多，运行经验、检修经验不成熟，因此若装置中选择带部分可控串联补偿方式，对系统发生故障后消除振荡更为有益。
串联谐振中系统配置要求
1.变频控制源 控制主要功能及说明
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过压保护，失谐保护：本装置有电子式过压保护、失谐保护功能，避免试品不受过流和闪络伤害，且动作灵敏。
过流保护：系统装有电子式过流保护装置，此装置抗干扰能力强，并有动作迅速，避免试品不受到伤害，而且，它采用关断功率管的方式来切断输出，不直接切断电流，不会产生电弧。
自动寻找谐振点：在试验时，可以设定变频控制源自动/手动方式，自动方式，变频控制源将自动的找到谐振点。
自动升降压：在试验时，可以设定变频控制源自动/手动方式，自动方式，变频控制源将根据操作员设定的试验电压和试验时间自动的升压，到时间后自动降压并保存试验数据显示在显示屏上，根据用户的需要可以存入仪器的内存中永久保存。数据存储：根据用户的需要可以将试验数据存入仪器的内存中永久保存。
数据打印：根据用户的需要可以将试验数据打印出来。
温湿度显示：仪器可以显示试验环境的温度和湿度，以便用户分析数据。 变频控制源自身保护功能：过流、过压、过热、欠压等保护。
波形显示和分析：仪器具有波形显示功能，能观察高压输出的波形，并可以分析波形中的谐波成分。
2.激励变压器
容量要求：励磁变压器容量为10 kVA，输出电压为0～1000V/0～2500V,高压电流为10A/4A。
结构性能要求：激励变压器原、副边线圈按10 kV隔离水平设计，原边线圈与铁心和铁外壳处在同一电位上，副边线圈对原边线圈及地为高压隔离。激励变压器的输出端对地连接有压敏电阻器或氧化锌避雷器，激励变压器的结构型式为环氧浇注式，有3倍以上的绝缘裕度，这样可以有效地防止反击过电压和传递过电压对试验设备和人身的冲击。
3.电抗器
电抗器设计单节为20kV/1.8A和容量20kV/0.8A两种。其中20kV/1.8A的电抗器六只，20kV/0.8A的电抗器三只。采用20kV/1.8A的六只电抗器先三只串联成两组再两组并联后再与20kV/0.8A的电抗器三只串联组并联可以完成35kV、截面积185 mm2、2km交联电缆
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的耐压试验，采用20kV/1.8A的电抗器五只并联可以完成10kV、截面积300 mm2、5km交联电缆的交流耐压试验。
4.电容分压器
分压器设计为纯电容分压型式，分压比例为6000：1；工作频率为30 Hz-300Hz，交流有效值1级。高低压电容采用相同的材料，试验频率。电压幅值和电磁场对其测量准确度无影响。
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